JPH08152955A - ３次元座標位置検出装置及び３次元座標位置表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 座標位置指定の操作性が容易で、正確な３次
元座標位置の取得が可能で、簡単な構成で実現し得る３
次元座標位置検出装置及び３次元座標位置表示装置。 【構成】 この棒磁石内蔵のペン４の棒磁石３に対応し
て一つの３次元磁気センサ５１が指定領域である磁気セ
ンサボード５に配置されている。ペン４の先端に＋Ｍ極
が配置されているので、ペン４の先端の＋Ｍ極の位置を
認識するために、棒磁石３の＋Ｍ極から放射される磁界
（磁束密度）を３次元的な磁気センサ５１で常時、動き
に応じて凡そ０．５ｍｓｅｃ周期で測定することで、ペ
ン４先の動きを認識し画面上にあるカーソルの位置をペ
ン４先の動きに応じて移動させる。ボード５の上を左右
に棒磁石３を移動すれば、画面上のカーソルも左右に移
動する。棒磁石３をボード５から鉛直方向に遠ざける、
又は近づけると、画面上下方向にカーソル２が移動する
ものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は３次元座標位置検出装
置及び３次元座標位置表示装置に関し、例えば、パーソ
ナルコンピュータや、ワークステーション用の座標位置
入力装置として適用し得るものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に例えばパーソナルコンピュータや
ワークステーションの表示画面における位置指定のため
のカーソルの移動はマウス装置によって行われている。
通常、このマウス装置は２次元表示画面の中でのカーソ
ルの位置指定を行うものである。このようなマウス装置
を用いてコンピュータグラヒックスのような３次元表示
画面上でカーソルを３次元的に移動させるためには、２
次元表示画面上での２つの方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方
向）に加えて、もう一つの方向（Ｚ軸方向）を指定する
必要がある。このため、マウス装置に切替えスイッチを
設けて、上記Ｚ軸方向の指定ができるようにしたものが
提案されている。

【０００３】この例としては、特開平２−２１２９１９
号公報（文献１）に記載のマウス装置が提案されてい
る。

【０００４】また、空間の位置を決定するための手段と
して磁界を利用するもの提案もされており、米国特許第
４６２２６４４号公報（文献２）に示されている。この
文献２によれば、一つの永久磁石を用いた３つの磁気測
定装置によって磁石の位置を検出するものである。

【０００５】更に、米国特許第４９４５３０５号公報
（文献３）では、互いに直交する３軸方向への磁界を１
点から各軸ごとに交互に発生させ検出部で３次元でその
磁界の強さ、方向を測定し、検出場所の位置を測定する
ものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
文献１による方式では、カーソルの３次元移動を行うた
めに、手元のスイッチ操作を必要とするなど操作の都度
目的を達成するために複雑な操作を行わねばならず、従
来の人間が得て来た習慣にあった自然な方式のカーソル
手元入力手段を必要としていた。

【０００７】また、文献２では、磁石の磁気モーメント
の方向が定まらなければ正確な位置を見出だすことがで
きず、仮定をおいて計算によって位置を導き出さねばな
らなかった。

【０００８】更に、文献３では、正確に位置を見出だす
ことはできるが、磁界発生、検出共に制御された電気パ
ルス信号を入出力しなければならず、回路構成が複雑に
なるという問題があった。

【０００９】以上のような従来技術の問題から、座標位
置指定の操作性が容易で、正確な３次元座標位置の取得
が可能で、簡単な構成で実現し得る３次元座標位置検出
装置及び３次元座標位置表示装置の提供が要請されてい
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】そこで、第１の発明の３
次元座標位置検出装置は、以下のような特徴的な構成で
上述の課題を解決するものである。

【００１１】つまり、磁石を内蔵したペンと、このペン
の磁石からの磁界を検出し検出信号を出力する検出手段
と、この検出信号からペンの３次元座標における位置を
求める算出手段とを備えるものである。

【００１２】また、第２の発明の３次元座標位置表示装
置は、上述の第１の発明の構成に加え、算出手段で求め
た３次元座標における座標位置信号に対応する座標位置
を表示画面に表示する表示手段を備える構成で、上述の
課題を解決するものである。

【００１３】

【作用】第１の発明の３次元座標位置検出装置によれ
ば、ペンには磁石が内蔵されているため、磁石の回りに
磁界が形成され、この磁界を検出手段で検出し、この検
出信号から磁界の大きさ、方向などによって磁石の位置
をペンの位置として３次元的な座標位置を求めるもので
ある。従って、ペンの位置や動きに応じて座標位置が求
められるのである。

【００１４】また、第２の発明の３次元座標位置表示装
置は、算出手段で求めた３次元座標における座標位置信
号に対応する座標位置を表示画面に表示することで、ペ
ンの位置や移動に応じて座標位置を表示することができ
る。

【００１５】以上のような構成であることから、比較的
に簡単に構成でき、しかも小型化にも寄与することがで
きる。また、ペンの操作によって必要な座標位置を指定
することができるので操作も容易である。更に、ペンの
位置や動きに応じて忠実に座標位置を指定することがで
きる。

【００１６】

【実施例】次にこの発明の好適な実施例を図面を用いて
説明する。そこで、具体的にこの実施例では発明をコン
ピュータグラフィックス適用し、これによる３次元表示
画面における位置指定、及び画面を用いた入力に用いる
カーソルの３次元的移動を自然に行うもので、最も人間
が馴染んで来たペンを用いた入力方法で行えるようにす
るものである。

【００１７】特に、デスクトップパソコン、ノート型パ
ソコンに内蔵することでコンパクトなマウス装置を使用
し得るパーソナルコンピュータを実現する。

【００１８】このため３次元映像内部での指示には、映
像空間内を直接指示するように構成することで、複雑な
指示操作をする必要がないように構成できるものであ
る。

【００１９】（座標位置検出装置）： 図１はこの実
施例の座標位置検出装置の説明図である。この図１にお
いて、座標位置検出装置は、表示部８と、磁気センサボ
ード５と、インタフェース回路（ＩＦ）６と、処理部７
と、ペン４とから構成されている。

【００２０】表示部８には３次元表示用のディスプレイ
１が備えられ、画面にはカーソル２が示されている。更
に、マウス装置の代わりの機能を有する棒磁石３を内蔵
するペン４を備える。この棒磁石３は、直径が約５ｍｍ
の円柱で、長さ約２０ｃｍの磁石である。このペン４の
先端は棒磁石の先端（＋Ｍ極）が露出している。また、
このペン使用時の操作入力可能空間範囲を示すための３
次元入力用の磁気センサ５１を搭載した磁気センサボー
ド５を備える。

【００２１】この磁気センサ５１としては、例えば、半
導体磁気センサなどが好ましい。ペン４にはスイッチＳ
Ｗが備えられていて、スイッチＳＷをオンにすること
で、その時点のペン４の位置を磁気センサ５１で検出
し、検出信号はインタフェース回路（ＩＦ）６に取り込
まれ、ここで増幅後スイッチＳＷがオンの間に処理部７
に与えられる。処理部７は磁界検出信号からスイッチＳ
Ｗがオンされている期間に移動した方向、距離などを求
め、この移動に応じた座標位置信号を表示部８に与え、
移動距離、方向に対応した位置へカーソル２を移動させ
表示させる。

【００２２】このペン４の先端を筆記具のように動かす
ことで、ディスプレイ１内部のカーソルの位置を３次元
的に指定することを可能とするものである。即ち、ディ
スプレイ１内のカーソル２はペン４先の位置の動きに対
応して３次元的に動く。３次元映像、例えば、ホログラ
フ、コンピュータグラフィック映像などの内部を指示す
るための３次元の座標位置検出装置を実現するものであ
る。

【００２３】具体的には手にとって移動できる棒磁石内
蔵のペン４がある。この棒磁石内蔵のペン４の棒磁石３
に対応して一つの３次元磁気センサ５１が指定領域であ
る磁気センサボード５に配置されている。３次元的な座
標位置指定装置として使用するときは、例えば、この棒
磁石内蔵のペン４の先端に＋Ｍ極が配置されているの
で、この棒磁石内蔵のペン４の先端の＋Ｍ極の位置を認
識するために、棒磁石３の＋Ｍ極から放射される磁界
（磁束密度）を３次元的な磁気センサ５１で常時、動き
に応じて凡そ０．５ｍｓｅｃ周期で測定することで、ペ
ン４先の動きを認識し、画面上にあるカーソルの位置を
ペン４先の動きに応じて移動させるものである。

【００２４】ペン４の位置（実際には一つの磁極＋Ｍ）
を測定するための３次元的な磁気センサ５１が設置され
ている磁気センサボード５を備えることで、ペン４を操
作できる範囲は磁気センサ５１から離れた磁極からの影
響を少なくするため、磁気センサ５１を中心に限定され
ている。このため、ペン４の操作可能範囲を示す磁気セ
ンサボード５を設けている。

【００２５】この磁気センサボード５は棒磁石の位置を
正確に測定できる範囲を示すものである。この磁気セン
サボード５の内側で棒磁石３の先端を移動させている限
り、ディスプレイ１の画面上でのカーソル２の動きは、
棒磁石３の動きにほぼ自然に追従することができる。

【００２６】従って、磁気センサボード５の形状はその
範囲を操作者へ明示できていればどのような物でも良
い。この磁気センサボード５の中央に３次元的な磁気セ
ンサ５１が設置され、この磁気センサボード５の上を左
右に棒磁石３を移動すれば、画面上のカーソルも左右に
移動する。また、棒磁石３を磁気センサボード５から鉛
直方向に遠ざける（磁気センサボード５の空間的に上方
向）か、又は近づけると、画面上下方向にカーソル２が
移動するものである。

【００２７】この原理は、長い棒磁石３は＋Ｍ極と−Ｍ
極とが離れており、例えば、磁気センサ５１の近傍に片
方の極が接近していれば、他方の極からの磁界は、相対
的に低く、影響は受けないため、棒磁石３の磁気センサ
５１に近い極からの磁界（強度と方向）を測定すること
で、近い極の位置を３次元的な磁気センサ５１で測定す
ることを可能とするものである。

【００２８】図４は、３次元座標のｘ、ｙ、ｚ軸に対す
るペン４内部の棒磁石３の磁極＋Ｍ、−Ｍが作り出す磁
場Ｈ＋、Ｈ−を示している。磁気センサ５１が感知する
のは、Ｈ＋、Ｈ−の合成磁界Ｈであり、Ｈ−の値がＨ＋
の値に対して小さければＨ−の影響は無視でき、合成磁
界はＨ＋だけと見なすことができる。

【００２９】（パーソナルコンピュータへの適用）：
図２は上述の図１の座標位置検出装置をパーソナルコ
ンピュータに適用し、上述の３次元的な磁気センサボー
ド５と、棒磁石内蔵のペン４とを搭載した説明図であ
る。この図２において、パーソナルコンピュータのキー
ボード１０の右上横（Ａ）に３次元的な磁気センサボー
ド５を載せて使用したり、また３次元的な磁気センサボ
ード５Ｂだけをパーソナルコンピュータの右横に別に置
いて使用することもできる。このようにすることで、デ
スクトップ型パーソナルコンピュータやノート型パーソ
ナルコンピュータやパームトップ型パーソナルコンピュ
ータなどに適用して効果的である。また、立体３次元映
像の内部を位置指定する装置としても適用することがで
きる。

【００３０】図３は図２のパーソナルコンピュータの機
能構成図である。この図３において、磁気センサボード
５内の３次元磁気センサ５１からインタフェース回路
（ＩＦ）６に検出信号が与えられている。ペン４のスイ
ッチＳＷからカーソル移動オン／オフ制御信号がインタ
フェース回路（ＩＦ）６に与えられ、インタフェース回
路（ＩＦ）６はペン４のスイッチＳＷからカーソル移動
オン／オフ制御信号がオンのときに座標位置信号をバス
９を通じて処理部７のＣＰＵ７１に与える。ＣＰＵ７１
はＲＯＭ７２のプログラムや、ＲＡＭ７３のデータを使
用してカーソル２の表示のための信号を生成し、バス９
を通じて表示部８に与える。

【００３１】尚、この図２において、図１の処理部７は
ＣＰＵ７１とＲＯＭ７２とＲＡＭ７３とから構成されて
いる。

【００３２】上述の図２で示したようにパーソナルコン
ピュータ上に３次元的な磁気センサ５１を搭載した磁気
センサボード５を設置したものであり、棒磁石３を内蔵
したペン４は磁気センサボード５の上を動かすことで画
面内のカーソル２を３次元的に動かせるものである。

【００３３】棒磁石３の磁極＋Ｍが磁気センサ５１の近
傍を動くようにしたこの実施例では棒磁石３の磁極＋Ｍ
の強さを予め測定しておき、磁気センサ５１が検出する
磁界Ｈと、その方向から＋Ｍの位置を正確に検出するも
のである。但し、このとき磁石の長さと傾き（即ち、−
Ｍ磁極から磁気センサ５１までの距離）、磁極＋Ｍから
磁気センサ５１との距離の比率が＋Ｍ極検出の誤差とし
て問題となる。即ち、磁極−Ｍからの影響が少ない範囲
（数パーセント以下）で求めておいて、その範囲内で磁
極＋Ｍを動かすようにすることで実用的に使用できる。
つまり、このために磁気センサボード５を備えるもので
ある。

【００３４】即ち、−Ｍ極からの磁界Ｈ−と、＋Ｍ極か
らの磁界Ｈ＋との比が大きく、即ち、＋Ｍ極と磁気セン
サ５１との距離が−Ｍ極と磁気センサ５１との距離に比
べて十分短かければ、後の計算で示すように磁界Ｈ−が
無視でき、 Ｈ＋＝Ｍ／（４πμｒ^２）＊ｎ …（１） このｎは方位を表す単位ベクトルであり、磁気センサ５
１が測定している磁界Ｈは磁極＋Ｍからだけの磁界と見
なし、Ｈ＋＝Ｈとして測定しても、磁極＋Ｍの位置に大
きな誤差を生じない。

【００３５】従って、上述の式（１）から＋Ｍまでの距
離ｒ、方向が求まり＋Ｍの位置が測定できるのである。
このときに多少の誤差は生じるが、従来のマウス装置に
代わる座標位置検出装置として使用するには十分であ
る。

【００３６】但し、磁気センサ５１との距離が棒磁石３
の角度θ（図４）との関係から棒磁石３が遠ざかると、
−磁極の影響が以下に説明するように変化するのであ
る。

【００３７】この実施例の座標位置検出装置を図２に示
すようにデスクトップ型パーソナルコンピュータの上に
設置した場合、横に置いて操作した場合などを例にして
更に説明する。

【００３８】半導体型３次元磁気センサ素子を用いた磁
気センサ５１を含む磁気センサボード５の大きさを直径
４ｃｍ（ペンが動かせる枠の範囲を示すもの）の場合に
おいて、その精度の計算結果を以下に述べる。この場合
も図２のように移動可能である。棒磁石３はアルニコ製
で円の径を５ｍｍ、長さ２０ｃｍと１５ｃｍの２種類と
した。

【００３９】一つの磁極Ｍの大きさは８×１０^−５Ｗ
ｂ、磁気センサ５１からの位置関係として、（１）磁気
センサ５１からの距離、（２）ペン４の長さ、（３）磁
気センサ５１から磁極Ｍ＋への直線と磁気センサボード
５が作る角度、（４）棒磁石の磁気センサボード５に対
する角度、などの値を可能な範囲で変化した（動かし
た）ときに、磁気センサ５１から最も近い１つの磁極ま
での距離を１〜４ｃｍに移動させた場合の、単磁極だけ
からの磁界しか考慮しない場合と双極子からのそれぞれ
の磁極からの磁界を考慮したときとの誤差の最大値を図
６に示している。

【００４０】図５はペン４からの磁界を検出するための
処理フローチャートである。この図５において、カーソ
ル移動用のスイッチＳＷをオン（ステップＳ１）とする
ことで、インタフェース回路（ＩＦ）６は磁気センサ５
１からの３次元センサ電圧出力Ｖｘ、Ｖｙ、Ｖｚを取り
込み（ステップＳ２）、増幅後（ステップＳ３）、磁界
の強さに変換し、磁界成分Ｈｘ、Ｈｙ、Ｈｚを求め（ス
テップＳ４）、磁界Ｈ発生源の方向、距離を計算する
（ステップＳ５）。これによって、棒磁石３の磁極の位
置、移動方向、移動距離が求められるのである。

【００４１】（実施例の効果）： 以上の実施例の座
標位置検出装置によれば、一つの棒状の永久磁石（棒磁
石３）を内蔵したペン４と、一つの３次元磁気センサ５
１とによって、その棒磁石３の先端の位置を精度良く測
定することが可能で、棒磁石３をペン４内に内蔵したこ
とで手で持ちやすい小型なものにしているので位置座標
検出と位置入力を容易にすることができる。

【００４２】しかも、３次元的なこの座標位置検出装置
が、非常に簡単な構成であることから、デスクトップ型
パーソナルコンピュータやノート型パーソナルコンピュ
ータやパームトップ型パーソナルコンピュータなどの種
々のシステムに適用して小型化と、操作性の改善と、位
置座標入力、位置表示の精度も良好にすることができる
ものである。

【００４３】（他の実施例）： （１）尚、以上の実
施例の他、地磁気は０．３Ｇ〜０．５Ｇ程度であり、−
Ｍ磁極からの磁束密度と同じ程度以下の値であるので、
この地磁気の影響は無視できる。また、従来からマウス
装置は目で見ながら人間が操作するものであるから多少
の誤差は許されていた、これに比べると操作性や精度な
どを比較すると上述の座標位置検出装置のほうが非常に
改善される。

【００４４】（２）また、磁気センサ５１として、半導
体磁気センサが挙げられるが、具体的には例えば、Ｉｎ
Ｓｂホール素子、ＧａＡｓホール素子、半導体磁気抵抗
素子などを適用し得る。更に具体的には、これらの複合
回路を構成することで３次元的な磁界成分の検出を実現
することができる。しかも、この磁気センサ５１は、形
状的には、平面的、球状的、その他の複合的な形状で実
現することが、３次元的な磁界成分を検出する上で好ま
しい。

【００４５】（３）更に、棒磁石３は、他にどのような
形状（例えば、球状など）でもよい。更にまた、双極子
又は単極子のいずれで構成してもよい。また、永久磁石
又は電磁石のいずれで構成してもよい。

【００４６】（４）更にまた、ディスプレイ１には位置
をカーソル２で表示する他に、文字情報などで３次元座
標位置を表示することも好ましい。

【００４７】（５）また、ペン４に備えたスイッチＳＷ
は、他に磁気センサボード５側に搭載するようにしても
良いし、また、全くスイッチＳＷを設けない構成であっ
ても動作させることができる。スイッチＳＷからのカー
ソル移動オン／オフ制御信号はインタフェース回路（Ｉ
Ｆ）６に取り込まずに処理部７に取り込むことでもよ
い。また、インタフェース回路（ＩＦ）６は処理部７と
一体化構成でもよい。

【００４８】（６）更に、上述の３次元座標位置検出装
置は、パーソナルコンピュータへの適用の他、種々の専
用表示装置（例えば、航空交通管制システムの表示装置
など）に適用して、操作性、小形化、位置精度の改善に
効果的である。

【００４９】

【発明の効果】以上述べた様にこの発明の３次元座標位
置検出装置は、磁石を内蔵したペンと、このペンの磁石
からの磁界を検出し検出信号を出力する検出手段と、こ
の検出信号からペンの３次元座標における位置を求める
算出手段とを備えたことで、簡単な構成で正確な３次元
座標位置の取得が可能となる。

【００５０】また、第２の発明の３次元座標位置表示装
置は、磁石を内蔵したペンと、このペンの磁石からの磁
界を検出し検出信号を出力する検出手段と、この検出信
号からペンの３次元座標における座標位置信号を求める
算出手段と、３次元座標位置信号に対応する座標位置を
表示画面に表示する表示手段とを備えたことで、ペンの
位置や動きに応じて容易に必要な座標位置を指定するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例の座標位置検出装置の説明図
である。

【図２】実施例の座標位置検出装置をパーソナルコンピ
ュータに適用した場合の説明図である。

【図３】実施例のパーソナルコンピュータに適用した場
合の機能構成図である。

【図４】実施例のペン内部の棒磁石の磁極＋Ｍ、−Ｍが
作り出す磁場Ｈ＋、Ｈ−を説明する図である。

【図５】実施例の磁界発生源の方向、距離を計算する処
理フローチャートである。

【図６】実施例の磁気センサから最も近い１つの磁極ま
での距離を移動させた場合の、単磁極だけからの磁界し
か考慮しない場合と、双極子からのそれぞれの磁極から
の磁界を考慮したときとの誤差の最大値の特性図であ
る。

【符号の説明】

１…ディスプレイ、２…カーソル、３…棒磁石、４…ペ
ン、５…磁気センサボード、６…インタフェース（Ｉ
Ｆ）、７…処理部、８…表示部、９…バス、１０…キー
ボード、５１…磁気センサ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁石を内蔵したペンと、 上記ペンの磁石からの磁界を検出し検出信号を出力する
   検出手段と、 この検出信号から上記ペンの３次元座標における位置を
   求める算出手段とを備えることを特徴とする３次元座標
   位置検出装置。
2. 【請求項２】 磁石を内蔵したペンと、 上記ペンの磁石からの磁界を検出し検出信号を出力する
   検出手段と、 この検出信号から上記ペンの３次元座標における座標位
   置信号を求める算出手段と、 上記３次元座標位置信号に対応する座標位置を表示画面
   に表示する表示手段とを備えることを特徴とする３次元
   座標位置表示装置。